View
14
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
Energies renovables i no renovables
‘Numbers, not adjectives’
David MacKay, in Sustainable energy
‘I’m absolutely not anti-renewables. I loverenewables. But I’m also pro-arithmetic.’
David MacKay, in TEDx Warwick talkshttp://www.ted.com/talks/david_mackay_a_reality_check_on_renewables.html
Energies renovables i no renovables
David Mackay. Sustainable energy – without the hot airhttp://www.withouthotair.com/
Jaime González Velasco. Energías renovables
Vaclav Smil. Energy in World History
MODELS DE CONSUM I ESTALVI
ENERGÈTIC
1. Definició d’energia i potència. Unitats i mesura.
2. Balanç energètic a escala planetària.
3. Consum energètic I. Perspectiva històrica.
4. Consum energètic II. Situació present.
5. Problemes ambientals derivats dels usos energètics antròpics.
6. Eficiència energètica vs sostenibilitat energètica.
7. El problema de l’energia: casos pràctics. (sessió problemes)
Energies renovables i no renovables
1 J 102 J 104 J 106 J 108 J 1010 J 1012 J 1014 J 1016 J yy
1 cal 1 Btu 1 Cal 1 kW·h 1 BEP 1 tep
Escales d’energia
1 litre
1 kg U235Consumanual/hab.
1. Definició d’energia i potència. Unitats i mesura
Definició d’energia ↔ Principi de conservació
10-2 W 1W 102 W 104 W 106 W 108 W 1010 W 1012 W 1014W
Escales de potència: 𝑷𝒐𝒕 = ∆𝑬/∆𝒕
Consummundial
1. Definició d’energia i potència. Unitats i mesura
Taxa de retorn energètic (TRE) =∆𝐸 que obtenim de la font
∆𝐸 necessària per extreure−la
Rendiment energètic =∆𝐸 que aprofitem de la font
∆𝐸 màxima que conté la font=
𝑃𝑜𝑡 que aprofitem la font
𝑃𝑜𝑡 màxima que podria subministrar
Potència nominal =∆𝐸 que s′obté funcionant a màxima càrrega
∆𝑡
Densitat energètica =∆𝐸 que conté la font
volum de la font
Grau termodinàmic d′una font d′energia: Capacitat de transformació a alta eficiència que té la font. ↔ Grau de noblesa de la font ↔ Nivell d’entropia de la font
↔ poder calorífic
Intensitat energètica =∆𝐸 consumida per un territori
PIB del territori
Energia específica =∆𝐸 que conté la font
massa de la font
1. Definició d’energia i potència. Unitats i mesura
Mesura de l’energia i/o potència
Electromagnètica Química
Tèrmica Cinètica
Elèctrica Nuclear Gravitatòria
𝐸 = ℎ𝑓
𝐸 =1
2𝑚𝑣2 𝑃𝑜𝑡 =
1
2𝜌𝑄𝑣2
𝐸 = 𝐾𝑞1𝑞2𝑟
𝐸 = 𝑚𝑐2
∆𝐸 = 𝑚𝑐∆𝑇 ∆𝐸 = ∆𝑇/𝑅𝑇
∆𝐸 = 𝑚𝑔∆ℎ
∆𝐸 = 𝑚𝐻
1. Definició d’energia i potència. Unitats i mesura
Matriu de conversions d’energia
1. Definició d’energia i potència. Unitats i mesura
1. Definició d’energia i potència. Unitats i mesura
1. Definició d’energia i potència. Unitats i mesura
1. Definició d’energia i potència. Unitats i mesura
Taxa de retorn energètic (TRE) per combustibles
1. Definició d’energia i potència. Unitats i mesura
Densitat d’energia i energia específica
2. Balanç energètic a escala planetària
Com l’energia arriba a i escapa de La Terra?
2. Balanç energètic a escala planetària
A on va (pot anar) aquesta energia? Quin percentatge és aprofitable, i en quina manera?
Consum energètic humà:13 TW (2013)
3. Consum energètic I. Perspectiva històrica.
Consum d’energia i desenvolupament humà
Alimentació Indústria i agricultura
Domèstic Transport TOTAL
Recolector 126 W 126 W
Caçador 145 W 97 W 145 W
Agricultor primitiu 194 W 194 W 194 W 48 W 630 W
Agricultor avançat 169 W 339 W 581 W 48 W 1137 W
Industrial 169 W 1161 W 1548 W 677 W 3555 W
Tecnològic 169 W 4403 W 3193 W 3048 W 10813 W
Potència consumida per habitant
3. Consum energètic I. Perspectiva històrica.
Ús de combustibles fòssils
Tecnologies utilitzades
3. Consum energètic I. Perspectiva històrica.
Transport
L’energia com a motor de progrés econòmic
4. Consum energètic II. Situació present.
L’energia com a indicador econòmic (I)
4. Consum energètic II. Situació present.
L’energia com a indicador econòmic (II)
-40 -20 0 20 40
10-4
10-3
10-2
10-1
100
101
North America
Bermuda
CanadaMexico
United States
Central & South America
Antigua and Barbuda
Argentina
Aruba
Bahamas, The
Barbados
Belize
Bolivia
Brazil
Cayman Islands
ChileColombia
Costa Rica
Cuba
Dominica
Dominican RepublicEcuador
El Salvador
French Guiana
Grenada
Guatemala
Guyana
Haiti
HondurasJamaicaMartinique
Netherlands Antilles
Nicaragua
Panama
Paraguay
Peru
Puerto Rico
Saint Kitts and Nevis
Saint Lucia
Saint Vincent/Grenadines
Suriname
Trinidad and TobagoUruguay
Venezuela
Virgin Islands, U.S.
Europe
Albania
AustriaBelgium
Bosnia and Herzegovina
Bulgaria
Croatia
Cyprus
Czech Republic
DenmarkFinland
FranceGermany
Greece
Hungary
Iceland
Ireland
Italy
Luxembourg
MacedoniaMalta
Montenegro
Netherlands
NorwayPoland
Portugal
Romania
Serbia
Slovakia
Slovenia
Spain
SwedenSwitzerlandTurkey
United Kingdom
Eurasia
Armenia
Azerbaijan
Belarus
Estonia
Georgia
Kazakhstan
Kyrgyzstan
Latvia
Lithuania
Moldova
Russia
Tajikistan
Turkmenistan
Ukraine
Uzbekistan
Middle East
Bahrain
Iran
Iraq
Israel
Jordan
Kuwait
Lebanon
Oman
Palestinian Territories
Qatar
Saudi Arabia
Syria
United Arab Emirates
Yemen
Africa
Algeria
Angola
Benin
Botswana
Burkina Faso
Burundi
Cameroon
Cape VerdeCentral African Republic
Chad
Comoros
Congo (Brazzaville)
Congo (Kinshasa)
Cote dIvoire (IvoryCoast
Djibouti
Egypt
Equatorial Guinea
Eritrea
Ethiopia
Gabon
Gambia, The
Ghana
Guinea
Guinea-Bissau
Kenya
Lesotho
Liberia
Libya
MadagascarMalawi
Mali
Mauritania
Mauritius
Morocco
MozambiqueNamibia
Niger
Nigeria
Reunion
Rwanda
Sao Tome and Principe
Senegal
Seychelles
Sierra LeoneSomalia
South Africa
Sudan and South Sudan
Swaziland
Tanzania
Togo
Tunisia
Uganda
Zambia
Zimbabwe
Asia & Oceania
Afghanistan
American Samoa
Australia
Bangladesh
Bhutan
Brunei
Burma (Myanmar)
Cambodia
China
Fiji
Guam
Hong Kong
India
Indonesia
Japan
Kiribati
Korea, North
Korea, South
Laos
Macau
Malaysia
Maldives
Mongolia
Nepal
New ZealandPakistan
Papua New Guinea
Philippines
Samoa
Singapore
Solomon Islands
Sri Lanka
Taiwan
Thailand
Timor-Leste (East Timor)
Tonga
Vanuatu
Vietnam
World
PIB
(1
01
2 d
olla
r)
Energy balance (1015
Btu)
4. Consum energètic II. Situació present.
L’energia com a indicador econòmic (III)
-100 0 100 200 300 400 500
1E-4
1E-3
0.01
0.1
1
10North America
Bermuda
CanadaMexico
United States
Central & South America
Antigua and Barbuda
Argentina
Aruba
Bahamas, The
Barbados
Belize
Bolivia
Brazil
Cayman Islands
ChileColombia
Costa Rica
Cuba
Dominica
Dominican Republic Ecuador
El Salvador
French Guiana
Grenada
Guatemala
Guyana
Haiti
HondurasJamaicaMartinique
Netherlands Antilles
Nicaragua
Panama
Paraguay
Peru
Puerto Rico
Saint Kitts and Nevis
Saint Lucia
Saint Vincent/Grenadines
Suriname
Trinidad and TobagoUruguay
Venezuela
Virgin Islands, U.S.
Europe
Albania
AustriaBelgium
Bosnia and Herzegovina
Bulgaria
Croatia
Cyprus
Czech Republic
DenmarkFinland
FranceGermany
Greece
Hungary
Iceland
Ireland
Italy
Luxembourg
MacedoniaMalta
Montenegro
Netherlands
NorwayPoland
Portugal
Romania
Serbia
Slovakia
Slovenia
Spain
SwedenSwitzerlandTurkey
United Kingdom
Eurasia
Armenia
Azerbaijan
Belarus
Estonia
Georgia
Kazakhstan
Kyrgyzstan
Latvia
Lithuania
Moldova
Russia
Tajikistan
Turkmenistan
Ukraine
Uzbekistan
Middle East
Bahrain
Iran
Iraq
Israel
Jordan
Kuwait
LebanonOman
Palestinian Territories
Qatar
Saudi Arabia
Syria
United Arab Emirates
Yemen
Africa
Algeria
Angola
Benin
Botswana
Burkina Faso
Burundi
Cameroon
Cape VerdeCentral African Republic
Chad
Comoros
Congo (Brazzaville)
Congo (Kinshasa)
Cote dIvoire (IvoryCoast
Djibouti
Egypt
Equatorial Guinea
Eritrea
Ethiopia
Gabon
Gambia, The
Ghana
Guinea
Guinea-Bissau
Kenya
Lesotho
Liberia
Libya
MadagascarMalawi
Mali
Mauritania
Mauritius
Morocco
MozambiqueNamibia
Niger
Nigeria
Reunion
Rwanda
Sao Tome and Principe
Senegal
Seychelles
Sierra LeoneSomalia
South Africa
Sudan and South Sudan
Swaziland
Tanzania
Togo
Tunisia
Uganda
Zambia
Zimbabwe
Asia & Oceania
Afghanistan
American Samoa
Australia
Bangladesh
Bhutan
Brunei
Burma (Myanmar)
Cambodia
China
FijiGuam
Hong Kong
India
Indonesia
Japan
Kiribati
Korea, North
Korea, South
Laos
Macau
Malaysia
Maldives
Mongolia
Nepal
New ZealandPakistan
Papua New Guinea
Philippines
Samoa
Singapore
Solomon Islands
Sri Lanka
Taiwan
Thailand
Tonga
Vanuatu
Vietnam
World
Energy balance (%)
PIB
(1
012 d
olla
r)
4. Consum energètic II. Situació present.
L’energia com a indicador econòmic (IV)
0 1
103
104
North America
Bermuda
Canada
Mexico
United States
Central & South America
Antigua and Barbuda
Argentina
Aruba
Bahamas, The
Barbados
Belize
Bolivia
Brazil
Cayman Islands
Chile
Colombia
Costa RicaCuba
DominicaDominican Republic
EcuadorEl Salvador
French Guiana
Grenada
Guatemala
Guyana
Haiti
Honduras
Jamaica
Martinique
Netherlands Antilles
Nicaragua
Panama
Paraguay
Peru
Puerto Rico
Saint Kitts and Nevis
Saint LuciaSaint Vincent/Grenadines
Suriname
Trinidad and Tobago
UruguayVenezuela
Virgin Islands, U.S.
Europe
Albania
AustriaBelgium
Bosnia and Herzegovina
Bulgaria
Croatia
Cyprus
Czech Republic
Denmark
Finland
FranceGermany
Greece
Hungary
Iceland
Ireland
Italy
Luxembourg
Macedonia
Malta
Montenegro
Netherlands
Norway
Poland
Portugal
Romania
Serbia
Slovakia
Slovenia
Spain
Sweden
Switzerland
Turkey
United Kingdom
Eurasia
Armenia
Azerbaijan
Belarus
Estonia
Georgia
Kazakhstan
Kyrgyzstan
Latvia
Lithuania
Moldova
Russia
Tajikistan
Turkmenistan
Ukraine
Uzbekistan
Middle East
Bahrain
IranIraq
Israel
Jordan
Kuwait
Lebanon
Oman
Palestinian Territories
Qatar
Saudi Arabia
Syria
United Arab Emirates
Yemen
Africa
AlgeriaAngola
Benin
Botswana
Burkina Faso
Burundi
Cameroon
Cape Verde
Central African Republic
ChadComoros
Congo (Brazzaville)
Congo (Kinshasa)
Cote dIvoire (IvoryCoast
Djibouti
Egypt
Equatorial Guinea
Eritrea
Ethiopia
Gabon
Gambia, The
Ghana
Guinea
Guinea-Bissau
Kenya
Lesotho
Liberia
Libya
MadagascarMalawi
Mali
Mauritania
Mauritius
Morocco
Mozambique
Namibia
Niger
Nigeria
Reunion
Rwanda
Sao Tome and Principe
Senegal
Seychelles
Sierra Leone
Somalia
South Africa
Sudan and South Sudan
Swaziland
Tanzania
Togo
Tunisia
Uganda
Zambia
Zimbabwe
Asia & Oceania
Afghanistan
American Samoa
Australia
Bangladesh
Bhutan
Brunei
Burma (Myanmar)
Cambodia
China
Fiji
Guam
Hong Kong
India
Indonesia
Japan
KiribatiKorea, North
Korea, South
Laos
Macau
Malaysia
Maldives
Mongolia
Nepal
New Zealand
Pakistan
Papua New Guinea
Philippines
Samoa
Singapore
Solomon Islands
Sri Lanka
Taiwan
Thailand
Timor-Leste (East Timor)
Tonga
Vanuatu
Vietnam
World
PIB
/ c
àp
ita
Balanç energia / càpita
4. Consum energètic II. Situació present.
L’energia com a indicador econòmic (V)
4. Consum energètic II. Situació present.
L’energia com a indicador econòmic (VI)
100
101
102
103
10-1
100
101
102
103
104
North America
Canada
Mexico
United States
Central & South AmericaArgentina
ArubaBarbados
Belize
BoliviaBrazil
Chile
Colombia
Costa RicaCuba
Dominica
Dominican Republic
Ecuador
El Salvador Falkland Islands (Islas
French Guiana
Guadeloupe
Guatemala
Haiti
Honduras
Jamaica
Martinique
Netherlands AntillesNicaragua
Panama
Paraguay
Peru
Puerto Rico
Saint Vincent/Grenadines
Suriname
Trinidad and Tobago
Uruguay
Venezuela
Europe
Albania
AustriaBelgium
Bosnia and HerzegovinaBulgaria
Croatia
Cyprus
Czech Republic
Denmark
Faroe Islands
FinlandFranceGermany
GreeceHungary
Iceland
Ireland
Italy
Luxembourg
Macedonia
Malta
Montenegro
Netherlands
Norway
Poland
Portugal
Romania
Serbia
Slovakia
Slovenia
Spain
Sweden
Switzerland
Turkey
United Kingdom
Eurasia
Armenia
Azerbaijan
Belarus
Estonia
Georgia
Kazakhstan
KyrgyzstanLatvia
Lithuania
Moldova
Russia
Tajikistan
Turkmenistan
UkraineUzbekistan
Middle East
Bahrain
IranIraq
Israel
Jordan
Kuwait
Lebanon
Oman
Qatar
Saudi Arabia
Syria
United Arab Emirates
YemenAfrica
AlgeriaAngola
Benin
Botswana
Burkina Faso
Burundi
Cameroon
Cape Verde
Central African Republic
Chad
Comoros
Congo (Brazzaville)
Congo (Kinshasa)
Cote dIvoire (IvoryCoast
Egypt
Equatorial Guinea
Eritrea
Ethiopia
Gabon
Ghana
Guinea
KenyaLesotho
Libya
Madagascar
Malawi
Mali
MauritaniaMauritius
Morocco
Mozambique
Namibia
Niger
Nigeria
Reunion
Rwanda
Sao Tome and Principe
Senegal
Sierra Leone
South Africa
Sudan and South Sudan
Swaziland
Tanzania
Togo
Tunisia
Uganda
ZambiaZimbabwe
Asia & Oceania
Afghanistan
Australia
Bangladesh
Bhutan
Brunei
Burma (Myanmar)
Cambodia
China
FijiFrench Polynesia
Hong Kong
India
Indonesia
JapanKorea, North
Korea, South
Laos
MalaysiaMongolia
Nepal
New Caledonia
New Zealand
Pakistan
Papua New Guinea
Philippines
SamoaSingapore
Sri Lanka
Taiwan
Thailand
Timor-Leste (East Timor)
Vietnam
World
Pro
du
ctio
n (
10
15 B
tu)
/ cà
pita
Consumption (1015
Btu) / càpita
4. Consum energètic II. Situació present.
4. Consum energètic II. Situació present.
L’energia com a indicador social
4. Consum energètic II. Situació present.
Indicadors de sostenibilitat energètica
4. Consum energètic II. Situació present.
Indicadors de sostenibilitat energètica (evolució)
4. Consum energètic II. Situació present.
Consum energètic per fonts
Consums (Gteps)2008
Tendència2020
Tendència2035
Compromís2020
Compromís2035
Cárbó 3,31 4,31 5,28 3,97 3,93
Petroli 4,06 4,44 5,03 4,35 4,66
Gas 2,60 3,17 4,04 3,13 3,75
Nuclear 0,71 0,91 1,08 0,97 1,27
Hidràulica 0,27 0,36 0,44 0,38 0,48
Biomassa 1,22 1,46 1,71 1,50 1,96
Altres renovables 0,09 0,24 0,41 0,27 0,70
TOTAL 12,27 14,90 18,05 14,56 16,75
4. Consum energètic II. Situació present.
Dinamarca
Brasil
Japó
4. Consum energètic II. Situació present.
Espanya
Consum energètic per usos
4. Consum energètic II. Situació present.
- 21%: Transport “de curt abast” (cotxe) Cap. 3, 20- 15%: Transport “de llarg abast” (tren, avió) Cap. 5, 20- 6%: Transport comercial (distribució de productes) Cap. 3,5,15,20- 19%: Calefacció Cap. 7, 21- 5%: Electricitat domèstica Cap. 11, 22- 25%: Indústria Cap. 15,22- 8%: Agricultura Cap. 13
5. Problemes ambientals derivats dels usos energètics antròpics.
- Efecte hivernacle, pluja àcida, residus radiactius, contaminació atmosfèrica i marina, deforestació, desertització, inundacions, migracions, impactes paisatgístics, impactes geològics, exhauriment dels recursos, contaminacióacústica,…
Dinamarca Brasil Japó
5. Problemes ambientals derivats dels usos energètics antròpics.
5. Problemes ambientals derivats dels usos energètics antròpics.
FuelNet calorific
value (MJ/kg)
Density
(kg/m3)
Energy
density
(MJ/l)
CO2 emission on combustion Land use implications
g/litre kg/gal g/MJ
g/mile at 4.5
MJ/mile
(see note 1)
miles/ha at 4.5
MJ/mile
(see note 1)
ha/yr at
10,000 miles
pa
Petrol 44 730 32 2328 10.6 72.8 328 - -
Diesel 42.8 830 36 2614 11.9 72.6 327 - -
LPG
(mainly propane)46 510 24 1533 7.0 65.0 292 - -
Bioethanol
(from sugar beet)27 789 21 1503 6.8 71.6 322 26400 0.38
Bioethanol
(from wheat)27 789 21 1503 6.8 71.6 322 13800 0.72
Fuel
Net
calorific
value
(MJ/kg)
Carbon content (%)
Approx. life cycle CO2 emissions
(including production)
See note 1
Annual total CO2 emissions to heat a typical house
(20,000 kWh/yr)
kg/GJ kg/MWh kgkg saved compared
with oil
kg saved compared
with gas
Hard coal 29 75 134 484 9680 -2680 -4280
Oil 42 85 97 350 7000 0 -1600
Natural gas 38 75 75 270 5400 1600 0
LPG 46 82 90 323 6460 540 -1060
Electricity
(UK grid)- - 150 530 10600 -3600 -5200
Electricity
(large scale wood chip combustion)- - 16 58 1160 5840 4240
Electricity
large scale wood chip gasification)- - 7 25 500 6500 4900
Wood chips
(25% MC) Fuel only14 37.5 2 7 140 6860 5260
Wood chips
(25% MC) Including boiler14 37.5 5 18 500 6500 4900
Wood pellets
(10% MC starting from dry wood
waste)
17 45 4 15 300 6700 5100
5. Problemes ambientals derivats dels usos energètics antròpics.
6. Eficiència energètica vs sostenibilitat energètica.
…o com? vs quant?
or ‘if everyone does a little, we’ll achieve only a little’
La fal·làcia de les “grans quantitats”
6. Eficiència energètica vs sostenibilitat energètica.
El Ayuntamiento de Málaga anuncia un ahorro energético de 1,5 millonesCon esta medida, según el Ayuntamiento, se ha reducido la contaminación lumínica en un 40 por ciento por la disminución del flujo luminoso reflejado, y se han dejado de emitir a la atmosfera 5.518.031,31 de kg de co2 (gases de efecto invernadero), que representa lo que absorbería un bosque de 18.340 árboles. Por su parte, la potencia ahorrada equivale a la de 1.500 hogares.
Els límits de l’eficiència
Escenaris d’eficiència/sostenibilitat
1. Balanç de potència disponible
2. Manteniment de reserves
6. Eficiència energètica vs sostenibilitat energètica.
3. Reducció 50% emissions d’efecte hivernacle
6. Eficiència energètica vs sostenibilitat energètica.
GENERACIÓ ELÈCTRICA
1. Paper de l’electricitat en els models de consum actuals.
2. Generació d’ electricitat . Principis físics.
3. Balanç energètic en la generació i distribució d’electricitat.
4. La factura de la llum.
5. Problemes pràctics (sessió problemes)
Energies renovables i no renovables
1. Paper de l’electricitat en els models de consum actuals
Per què depenem tant de l’electricitat?
1. Paper de l’electricitat en els models de consum actuals
1. Paper de l’electricitat en els models de consum actuals
L’electricitat comparada amb altres tipus d’energia: consum i preus
2. Generació d’ electricitat . Principis físics
Llei Faraday: “Un camp magnètic 𝐵 pot produir un corrent elèctric, caracteritzat per una forçaelectromotriu (fem) 휀, al llarg d’una regió d’àrea 𝐴 d’acord amb
휀 = −𝑑𝐹
𝑑𝑡
…on 𝐹 = 𝐵 · Ԧ𝐴 és el flux magnètic que passa a través del circuit.”
2. Generació d’ electricitat . Principis físics
Motors elèctrics
Transformadors elèctrics
2. Generació d’ electricitat . Principis físics
Autoinducció: 𝐿 =𝐹
𝐼
Per una bobina, 𝐿 = 𝜇0𝑛2𝜋
𝑑2
4𝑙 ∆𝑉 = −𝐿
𝑑𝐼
𝑑𝑡− 𝐼𝑅
Inductància mútua: 𝑀12 =𝐹12
𝐼1
Capacitat: 𝐶 =𝑄
∆𝑉
Elements bàsics d’un circuit
Resistència: 𝑅 =∆𝑉
𝐼
2. Generació d’ electricitat . Principis físics
Circuits bàsics de corrent altern
Reactància inductiva: 𝑿𝑳 = 𝝎𝑳
Reactància capacitativa: 𝑿𝑪 =𝟏
𝝎𝑪
𝑉 = 𝑉𝑚 cos𝜔𝑡
𝐼 = 𝐼𝑚 cos 𝜔𝑡 + 𝜑
𝜑: Angle desplaçament
Circuits bàsics de corrent altern
2. Generació d’ electricitat . Principis físics
Impedància: 𝐙 =𝑽𝒎
𝑰𝒎= 𝑹𝟐 + 𝑿𝑳 − 𝑿𝑪
𝟐 tan𝝋 =𝑿𝑳−𝑿𝑪
𝑹Admitància: 𝒀 =
𝟏
𝒁
Circuit equivalent del generador (o motor) elèctric:
Circuit equivalent del transformador:
Circuit equivalent d’una líniaelèctrica:
3. Balanç energètic en la generació i distribució d’electricitat
Eficiència dels sistemes/tecnologies actuals:
3. Balanç energètic en la generació i distribució d’electricitat
Balanç energètic en els circuits de generació/distribució:
Potència elèctrica instantània: 𝑝 = 𝑉 · 𝐼
Potència activa: 𝑃 = 𝑉 · 𝐼 · 𝑐𝑜𝑠𝜑 = 𝑉 · 𝐼 ·𝑅
𝑍= 𝐼2𝑅 (efecte Joule)
Potència reactiva: 𝑄 = 𝑉 · 𝐼 · 𝑠𝑖𝑛𝜑(amb corrent trifàsic 𝑝 = 3 · 𝑉 · 𝐼𝑓𝑎𝑠𝑒)
L’energia útil del circuit ve determinades per 𝑷, però el sistema necessita també Q per a l’emmagatzegament d’energia en les reactàncies.
Càlcul de seccions de línies elèctriques:
i) Per evitar sobreescalfaments (generalment se suposa que la calor es dissipaper convecció):
∆𝐸
∆𝑡= ℎ 2𝜋𝑟𝑙 𝑇𝑐𝑎𝑏𝑙𝑒 − 𝑇𝑎𝑚𝑏 → 𝑟 =
3 𝜌𝐼2
2𝜋2ℎ 𝑇𝑐𝑎𝑏𝑙𝑒 − 𝑇𝑎𝑚𝑏
ii) Per reduir pèrdues (normalment existeix un ∆𝑉∗ permès):
𝑟 =𝜌𝐼𝑙
𝜋∆𝑉∗
3. Balanç energètic en la generació i distribució d’electricitat
Seccions de línies elèctriques (regla pràctica):
3. Balanç energètic en la generació i distribució d’electricitat
Problemes tipus:
1. Es vol comparar el cost material d’una línia elèctrica feta en baixa o alta tensió. La potència en origen de la línia és de 180 MW (xarxa trifàsica) i aquesta té una longitud de 100 km. Per simplicitat considerem la línia com purament resistiva. Si la caiguda de tensió admissible és del 5%, calculeu la secció per 𝑉 = 380 V (baixa) i 𝑉 = 220 kV (alta).
2. L’angle de desplaçament d’una gran planta industrial és de 25 graus a ple funcionament(consumint una potència de 2,3 MW). L’energia de la planta està subministrada per una subestació situada a 4,5 km de distància, que subministra un corrent de 40.000 Volts amb una freqüència de 60 Hz. La resistència de la línia electrica que va de la subestació a la planta és de 5,2 Ohms.
a) Calcular la resistència i reactància de la planta.b) Calcular el voltatge que ha de subministrar la subestació.c) Quines són les pèrdues per transmissió, en valor absolut i en tant per cent?d) Utilitzant un conjunt de condensadors podem rebaixar l’angle de desplaçament a 18 graus. Quin valor de capacitància cal per aconseguir aquesta variació?e) Quin és l’estalvi diari que aconsegueix la planta instal·lant els condensadors, si la companyia cobra el kW·h real a 10 cèntims d’euro i la planta opera 16 hores diàries?
HIDROELECTRICITAT
1. Fonaments físics de la conversió vector aigua – electricitat.
2. Enginys hidràulics i hidroelèctrics.
3. Dimensionament i viabilitat d’una central hidroelèctrica.
4. Generació local vs centralitzada
5. Paper en els models de consum i aplicacions comunes.
6. Problemes pràctics. (sessió problemes)
Energies renovables i no renovables
Paper de l’hidroelectricitat en els models de consum actuals
Recursos totals (pluviometria): 220000 TWh/any
Recursos totals (menys filtracions/absorcions): 50000 TWh/any
Recursos tècnicament accessibles: 15000 TWh/any
Recursos econòmicament accessibles: 9000 TWh/any
Capacitat (potència nominal) mundial (2010): 0,9 TW
Consum mundial actual (2010): 3400 TWh/any
Impacte ambiental de les centrals hidroelèctriques
Impacte “positiu”:
- Font no contaminant (en principi)- No necessita emmagatzematge (disponibilitat contínua del recurs)- Baix cost de manteniment- Manca de impacte térmic (funciona a Tª constant)
Impacte “negatiu”:
- Elevat cost inicial (especialment civil)- Impacte geològic- Impacte paisatgístic- Inundació/desertització de territoris (impacte ecològic associat)- Emissió de gasos per efecte hivernacle (relativament desconeguda)
Enginys hidràulics
Sínies
Molins d’aigua
Estimació dels recursos hidroelèctrics
A partir del volum/cabal disponible:
𝑃𝑜𝑡 = 𝑄 · 𝑔 · ℎ
ቤ𝑃 + 𝜌𝑔ℎ +1
2𝜌𝑣2
𝑟𝑖𝑢
= ቤ𝑃 + 𝜌𝑔ℎ +1
2𝜌𝑣2
𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎
A partir dels recursos pluviomètrics:
𝑃𝑜𝑡 = 𝑝 · 𝐴 · 𝑔 · ℎ
Factor de capacitat:
𝑃𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó 𝑚𝑖𝑡𝑗𝑎𝑛𝑎 𝑟𝑒𝑎𝑙
𝑃𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙· 100 (rendiment per pèrdues de funcionament)
Tipus de centrals hidroelèctriques
• Central de salt baix: 𝑄 major• Central de salt alt: 𝑄 menor
• Central de corrent: 𝑄 variable• Central d’embassament: 𝑄 fixat• Central de bombeig
Tipus de generadors hidroelèctrics
Turbines d’impuls: la turbina Pelton
Principi funcionament:Energia hidrostàtica (potencial) → Cinètica (aigua) → Cinètica (turbina)
Funcionament òptim:𝑣𝑝𝑎𝑙𝑎 = 0.5𝑣𝑖
Turbines de reacció: la turbina Francis
Principi funcionament:Energia hidrostàtica (potencial) → Cinètica (turbina)
Problemes
1. En una presa que té un salt efectiu de 200 metres fem passar aigua a través d’una canonada forçada de 2 metres de diàmetre amb un cabal de 25 m3/s. (a) Calcular la potència generada per una turbina Francis, si el rendiment de la turbina és del 90%. (b) Calcular la fracció d’aquesta potència que prové de l’energia cinètica de l’aigua. (c) Calcular quina és la pressió de l’aigua una vegada aquesta ha travessat la turbina.
2. Es vol dissenyar una turbina Pelton per a produir una potència de 250 kW. Quines són les dimensions de la turbina i les velocitats de gir que caldrà utilitzar si disposem d’un salt d’aigua de (i) 100 metres, o de (ii) 15 metres (suposant que la turbina té un rendiment del 90%, dos injectors i una relació estandard entre injector i roda de 𝑅𝑡 = 12𝑅𝑖)?
Dimensionament de instal·lacions hidroelèctriques
1. Avaluar recurs disponible (per cabal o pluviometria)
2. Avaluar potència requerida (mitja/pics)
3. Seleccionar tipus de turbina/generador.
Factor de forma: 𝜑 =𝜔 · 𝑃𝑜𝑡
𝜌 𝑔 · ℎ 5/4
Velocitat específica: 𝑁𝑠 = 0,3𝜔𝑃𝑜𝑡
ℎ5/4= 500
𝑣𝑝
𝑣𝑖
𝑅𝑖𝑅𝑡
Problemes
3. Quin tipus de turbina instal·laríeu en un embassament en el qual podem arribar a disposar d’un salt efectiu de fins a 150 metres i que recull les aigües d’una conca hidrogràfica de 2.000 km2 on es dóna una pluviometria mitjana de 700 l/m2 anuals? Quina potència nominal hauria de tenir la instal·lació i quina fracció d’aigua deixem perdre, suposant que la regulem diàriament per a què funcioni les 6 hores del dia de més demanda amb un cabal de 80000 l/s?
4. Feu el dimensionament per una turbina Pelton estàndard en cas que volgueu instal·lar-la en un indret on disposem d’un salt d’aigua de 60 metres i on volem aconseguir una potència de 200 kW.
5. Feu el dimensionament per una turbina Francis estàndard en cas que volgueu instal·lar-la en un indret on disposem d’un salt d’aigua de 60 metres i on volem aconseguir una potència de 50 MW.
Generació local
Dipòsits d’aigua↓
Molins d’aigua↓
Microcentrals hidroelèctriques↓
Minicentrals hidroelèctriques↓
Centrals hidroelèctriques
-E
S C
A L
A +
Amortització?
Manteniment: ~15 €/MWh
ENERGIA EÒLICA
1. Fonaments físics de la conversió vector vent – energia mecànica.
2. Fonaments de l’aerodinàmica de les turbines eòliques.
3. Principis bàsics de funcionament dels aerogeneradors de gran escala.
4. Dimensionament i viabilitat d’un sistema d’energia eòlica.
5. Generació local vs centralitzada
6. Paper en els models de consum i aplicacions comunes.
7. Fabricació d’una turbina eòlica. (sessió pràctica)
Energies renovables i no renovables
Paràmetres i conceptes essencials
Potència disponible: 𝑃𝑜𝑡𝑑𝑖𝑠𝑝 =1
2𝜌𝐴𝑣3
Coeficient de potència: 𝑐𝑝 =𝑃𝑜𝑡𝑎𝑝𝑟𝑜𝑓
𝑃𝑜𝑡𝑑𝑖𝑠𝑝
Corba potència: Gràfic 𝑃𝑜𝑡𝑎𝑝𝑟𝑜𝑓 vs 𝑣
(rendiment energètic)
Recursos totals (vent a nivell mundial): 31·106 TWh/any
Recursos totals (prop de superfície): 3·106 TWh/any
Recursos totals (zones accessibles): 200000 TWh/any
Capacitat (potència nominal) mundial (2013): 0,32 TW
Consum mundial actual (2011): 714 TWh/any
Impacte “positiu”:
- Font no contaminant (gasos)- Accessibilitat al recurs- Manca d’impacte tèrmic
Impacte “negatiu”:
- Elevat cost inicial (per instal·lacions grans i aïllades)- Dificultat de control del recurs- Impacte paisatgístic- Impacte acústic- Interferències electromagnètiques
Impacte ambiental dels aerogeneradors
Tipus de turbines
D’arrossegament o de sustentació
D’eix horitzontal o vertical
𝐷 =1
2𝑐𝐷𝜌𝐴𝐷𝑣
2
𝐿 =1
2𝑐𝐿𝜌𝐴𝐿𝑣
2
Límits de rendiment teòric. Límit de Betz.
𝑣1 =𝑣0 + 𝑣2
2
𝑎 ≡𝑣0 − 𝑣1𝑣0
𝑃𝑜𝑡 = 2𝑎 1 − 𝑎 2𝜌𝐴1𝑣03
𝑎 = 1/3
𝑐𝑝 𝑚𝑎𝑥=16
27= 0,59
Per continuïtat: 16
27
1
2𝜌𝐴1𝑣0
3
1
2𝜌𝐴0𝑣03
=8
9= 0,89
Per dos rotors en sèrie, 𝑐𝑝 𝑚𝑎𝑥= 0,64
Per turbines d’arrossegament: 𝑐𝑝 𝑚𝑎𝑥= 0,22
(Rendiment “autèntic”)
Aerodinàmica de les pales (turbina de substentació)
𝑐𝐿𝑐𝐷
=𝐿
𝐷
Angle de pèrdua: 𝑐𝐿 → 0 → Ús en els sistemes de frenada
L’angle 𝜙 augmenta amb la distància a l’eix → Correcció de la geometria de la pala
Relació de velocitats en punta (tip-speed ratio)
Temps de pas entre pales = 𝑡𝑏 =2𝜋
𝜔𝑛
Temps de "relaxació" del vent = 𝑡𝑤 =𝑑
𝑣
λ =𝑅𝜔
𝑣=2𝜋𝑅
𝑣𝑛𝑡𝑏=2𝜋𝑅
𝑛𝑑
𝜔 =2𝜋𝑣
𝑛𝑑
Per a optimitzar l’aprofitament energètic, 𝑡𝑏 = 𝑡𝑤
Emplaçament dels aerogeneradors
𝑣ℎ = 𝑣𝑧(ℎ/𝑧)𝛼
𝛼 és funció de l’orografia del terreny
Efecte de l’altitud:
Efecte de l’alçada:
Efecte del terreny:
𝜌 = 𝜌𝑠𝑢𝑝𝑒−ℎ/𝑅𝑇
Dimensionament d’instal·lacions d’energia eòlica
1. Escollir emplaçament
2. Avaluar recursos disponibles (1
2𝜌𝐴𝑣3, mapa de vent, medicions)
3. Avaluar potència (i continuïtat) requerida
4. Dimensionar equip d’emmagatzematge i turbina
Problemes
1. Tenim una torre de medició meteorològica a 80 metres d’alçada de la qualn’obtenim al llarg d’un any la següent distribució de velocitats de vent:
Quina és la potència disponible en aquest emplaçament per un radi de pales de 30 metres? Quina serà la velocitat de gir òptima si hi instal·lem un aerogenerador de 3 pales? I si és de 2 pales?
2. Tenim medicions de vent fetes amb una torre estàndard de 10 metres d’alçada:
Si volem instal·lar en aquest emplaçament un aerogenerador que ens doni una potència de 1 MW, calculeu quina és l’alçada mínima que haurà de tenir (suposant un rendiment del 30%, un exponent d’alçada 𝛼 = 0,2 i una relació 3:1 entre l’alçada i el radi de les pales)?
v(m/s) 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23
Prob. 0,04 0,1 0,13 0,14 0,13 0,12 0,11 0,08 0,06 0,04 0,03 0,02
v(m/s) 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23
Prob. 0,12 0,17 0,22 0,19 0,12 0,08 0,04 0,02 0,02 0,01 0,01 0,00
3. Indiqueu quins elements s’haurien de considerar per trobar el millor emplaçament en el mapa per col·locar-hi 10 aerogeneradors de 60 metres d’alçada.
Generació local
Amortització?
PVP: 5.900 €
Manteniment: ~20 €/kW
ENERGIA SOLAR TÈRMICA
1. Disponibilitat de la radiació solar.
2. Col·lectors i concentradors solars.
3. Dimensionament i viabilitat d’un sistema d’energia solar tèrmica.
4. Generació local vs centralitzada
5. Paper en els models de consum i aplicacions comunes.
6. Fabricació d’un col·lector solar. (sessió pràctica)
Energies renovables i no renovables
Conceptes i paràmetres
Aprofitament actiu (col·lectors de baixa o alta temperatura) vs passiu.
Radiació directa vs difusa
Flux incident/irradiat: 𝐹 =𝑃𝑜𝑡è𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑖𝑛𝑐𝑖𝑑𝑒𝑛𝑡/𝑖𝑟𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑑𝑎
À𝑟𝑒𝑎
Constant solar (𝐹𝐶): flux incident de radiació en l’exterior de l’atmosfera (~1400 W/m2)
Solarímetre (o piranòmetre): Mesura el flux solar, per comparació amb efectes elèctrics.
Especte solar: Distribució del flux incident en funció de la la freqüència de radiació.
Recursos totals (a nivell mundial): 780·106 TWh/any
Recursos totals (zones accessibles): 50·106 TWh/any
Potència nominal mundial (2011): 0,3 TW
Consum mundial actual (2011): 200 TWh/any
Càlcul de la insolació directa
Declinació de l’n-èssim dia de l’any: 𝛿 = 23,5 sin 360284+𝑛
365
𝐹𝑝𝑙𝑎𝑐𝑎 = 𝐹𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟 · cos 𝛼
Càlcul de la insolació directa
Mapa insolació (en kWh/m2dia)
Col·lectors solars: tipus
Col·lectors solars: càlcul de pèrdues i rendiments
Repàs: les pèrdues (el pas) de calor es pot donar per conducció, convecció i radiació
Resistència tèrmica 𝑅𝑇 =∆𝑇
𝑃𝑜𝑡: oposició d’un cos/material al pas de calor a través seu.
Conducció: 𝑅𝑇1 =∆𝑥
𝑘𝐴
Convecció: 𝑅𝑇2 =ℎ
𝐴≈
5,7+3,8𝑣𝑣𝑒𝑛𝑡
𝐴(per superfícies exteriors)
Radiació: 𝑅𝑇3 =1
𝜎𝑒𝐴 𝑇2+𝑇𝑎𝑚𝑏2 𝑇+𝑇𝑎𝑚𝑏
(𝜎 = 5,67 · 10−8Wm2/K4)
Resistència total: 𝑅𝑇 =1
1
𝑅𝑇1+
1
𝑅𝑇2+
1
𝑅𝑇3
Balanç tèrmic del col·lector:
𝐹𝑛𝑒𝑡 = 𝐹𝑝𝑙𝑎𝑐𝑎 · 𝜏𝑒𝑥𝑡 · 1 − 𝜏𝑖𝑛𝑡 −∆𝑇
𝐴 · 𝑅𝑇
𝜏𝑒𝑥𝑡: transmitància coberta𝜏𝑖𝑛𝑡: transmitància placaEquilibri tèrmic: 𝐹𝑛𝑒𝑡 =0 → 𝑇𝑚𝑎𝑥
Col·lectors solars: càlcul de pèrdues i rendiments
Rendiments
Per a augmentar el rendimentinteressa 𝜏𝑒𝑥𝑡 gran i 𝜏𝑖𝑛𝑡 petit(per ona curta)., a la vegada que una emissivitat de la placa baixa (per ona llarga).
Per un fluid estàtic: 𝑃𝑜𝑡𝑢𝑡𝑖𝑙 =1
∆𝑡𝑚𝑐∆𝑇 = 𝑚𝑐
∆𝑇
∆𝑡
Per un fluid en moviment: 𝑃𝑜𝑡𝑢𝑡𝑖𝑙 =1
∆𝑡𝑚𝑐∆𝑇 = 𝑐𝑄∆𝑇 (∆𝑇: diferència entrada-sortida)
Rendiment d’intercanvi: η𝑖 =𝑃𝑜𝑡𝑢𝑡𝑖𝑙
𝐴·𝐹𝑛𝑒𝑡Rendiment del col·lector o placa: η𝑝 =
𝑃𝑜𝑡𝑢𝑡𝑖𝑙
𝐴·𝐹𝑝𝑙𝑎𝑐𝑎
Usos de l’energia solar tèrmica
Usos convencionals
Generació fototèrmica
Rendiment d’un concentrador: (1 − 𝜏𝑚) · 𝜏𝑒𝑥𝑡 · 1 − 𝜏𝑖𝑛𝑡 −𝐴𝑒𝜎 𝑇𝑝
4 − 𝑇𝑎𝑚𝑏4
𝑁 · 𝐴𝑚 · 𝐹𝑚
Usos de l’energia solar tèrmica
Generació de treball mecànic Estanys solars
Altres
Problemes
1. Determineu l’orientació ideal a dia d’avui per una placa solar pel punt de La Terra onens trobem.
2. Una placa de 2 m2 presenta unes resistències tèrmiques de 𝑅𝑐𝑜𝑛𝑑 = 0,15 𝐾/𝑊, 𝑅𝑐𝑜𝑛𝑣 = 0,2 𝐾/𝑊, 𝑅𝑟𝑎𝑑 = 0,25 𝐾/𝑊 i unes transmitàncies de 𝜏𝑒𝑥𝑡 = 0.8 i 𝜏𝑖𝑛𝑡 =0.15. Si el rendiment de transferència és del 85% i la placa, calculeu (i) la potènciaútil que s’extreu de la placa un dia en què 𝑇𝑎𝑚𝑏 = 21º𝐶, 𝐹𝑐 = 600𝑊/𝑚2 i la placa treballa a 55º𝐶, (ii) el cabal d’aigua necessari per tal que l’aigua passi de 35º𝐶 a 50º𝐶 en travessar la placa, (iii) la temperatura a què sortirà l’aigua de la placa si deixem el circuit encés per la nit, suposant que la temperatura d’entrada i l’ambientcontinuen sent les mateixes.
3. Calcular la temperatura d’equilibri i el rendiment d’un concentrador solar treballanta 400 ºC per una relació de concentració (𝑁 · 𝐴𝑚/𝐴) igual a 100 (“100 sols”), suposant que les característiques dels materials són 𝜏𝑚 = 0.15, 𝜏𝑒𝑥𝑡 = 0.85, 𝜏𝑖𝑛𝑡 =0.1, 𝑒 = 0.9. (Nota: Considereu una temperatura ambient de 25 º𝐶 i 𝐹𝑐 =600 𝑊/𝑚2).
Generació local
Amortització?
1500 € 1300 € 900 €
Manteniment: ~5% anual instal·lació
ENERGIA SOLAR FOTOVOLTÀICA
1. Fonaments físics de la conversió solar - electricitat.
2. Dimensionament i viabilitat d’un sistema d’energia solar fotovoltàica.
3. Generació local vs centralitzada
4. Paper en els models de consum i aplicacions comunes.
5. Problemes pràctics. (sessió problemes)
Energies renovables i no renovables
Impacte ambiental de les instal·lacions solars fotovoltàiques
Impacte “positiu”:
- Font no contaminant- Disponibilitat del recurs senzilla- Baix cost de manteniment
Impacte “negatiu”:
- Elevat cost de fabricació- Ús de materials i components exòtics- Impacte paisatgístic- Baix rendiment energètic- Impacte tèrmic
Principi de funcionament d’una placa fotovoltàica
Dinàmica electró-forat (per cristalls de Si): Gap d’energia: 1,1 eVTemps recombinació: 10−6 s Densitat d’electrons: 1010 e-/cm3
Existència de la banda de conducció i de valència en els materials:
Principi de funcionament d’una placa fotovoltàica
Unió p-n
Semiconductors tipus n:
Semiconductors tipus p:
Dinàmica generació (cristalls de Si):Gap d’energia: 0,8 eVGruix de la unió: 300 nmCamp elèctric a la unió: 106 V/m
Relació corrent voltatge. Optimització de la potència
Per una cel·la de Si típica (monocristall):
𝑅 = 0 → 𝐼 = 0 → 𝑃𝑜𝑡 = 0𝑅 → ∞ → 𝑉 → 0 → 𝑃𝑜𝑡 = 0
La condició òptima de potencia s’estableix per 𝑅 = 𝑅𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑎
Si la placa ha d’anar connectada a una bateria intentarem col·locar plaques en sèrieper tal que la suma de V’s correspongui a la tensió de treball de la bateria.
Eficiència i pèrdues en les plaques FV
Fonts de pèrdues:
- Pèrdues per energia fotònica de l’espectre inferior al gap.- Pèrdues per energia fotònica de l’espectre superior al gap (reconversió en calor).- Pèrdues en el procés de col·lecció de fotons.- Pèrdues per reflexió a la placa.- Pèrdues en els contactes metàl·lics de connexió al circuit.- Pèrdues en el circuit de connexió.- Pèrdues en les juncions del material (cas de policristalls o materials amorfs)
Problemes
1. Donada la següent relació intensitat-voltatge per una placa, determinar (i) la potència màxima que se’n pot extreure, i (ii) la resistència a la qual cal connectar la placa per obtenir aquesta potència. Feu-ho per a cada Tª de funcionament.
2. Volem fer funcionar l’enllumenat d’un habitatge mitjançant una bateria de 12 V amb 40 Ah de carga màxima. L’enllumenat s’utilitza diàriament durant 5 hores amb una intensitat de càrrega de 3 A. Dissenyeu un sistema fotovoltàic capaç de satisfer aquesta demanda usant plaques típiques de silici (amb un voltatge òptim de 0,5 V). Suposeu un rendiment de placa del 15%, unes pèrdues de transport del 20% i que disposem d’una insolació diària de 6 hores amb 500 W/m2. Com s’hauria de redissenyar el dispositiu si volem multiplicar per 2 el consum?
Generació local
Amortització?
1500 €
Manteniment: 20 €/kW·any
EMMAGATZEMATGE D’ENERGIA
1. Emmagatzematge químic i electroquímic: piles i batèries, vector hidrogen.
2. Emmagatzematge elèctric: condensadors i supercondensadors.
3. Emmagatzematge mecànic: vectors aigua i aire comprimit, KERS.
4. Emmagatzematge tèrmic.
5. Eficiència i viabilitat dels sistemes d’emmagatzematge actuals.
6. Problemes pràctics. (sessió problemes)
Energies renovables i no renovables
Propietats d’emmagatzematge dels diferents sistemes
Propietats d’emmagatzematge dels diferents sistemes
Emmagatzematge electroquímic: piles i bateries
Calcula la densitat d’energia d’una bateria de mòbil(i) …a partir de les especificacions tècniques de la bateria (3,7 V,
750 mAh, 17 grams).(ii) …a partir de l’energia associada a la reacció redox
corresponent.Expliqueu d’on provenen les diferències entre els dos valors.
Positiu: bona eficiència; temps de vida mitjà; densitat d’energia elevadaNegatiu: impacte ambiental elevat
𝐸 = 𝑉𝑄
Emmagatzematge elèctric: condensadors i supercondensadors
Calcula la densitat d’energia del condensador de l’esquerra i del supercondensadorde la dreta.
𝐸 =1
2𝐶𝑉2 (general)
𝐸 =1
2
𝜖𝐴
𝑑𝑉2 (plaques planes)
Positiu: bona eficiència; temps de vida elevat; Negatiu: densitat d’energia baixa (en progrés); impacte ambiental elevat
Emmagatzematge mecànic I: aigua i aire comprimit
Calcula la densitat d’energia del sistema de bombeig hidroelèctric de la fotografia.
Positiu: bona eficiència; temps de vida elevat; impacte ambiental baixNegatiu: densitat d’energia molt baixa
Calcula la densitat d’energia d’un sistema que comprimeix adiabàticament el gas des de 1 atm fins50 atm (coeficient adiabàtic=1.4).
𝐸 = 𝑚𝑔ℎ
𝐸
𝑚= 𝑐𝑣𝑇
𝑃
𝑃0
𝛾−1𝛾
− 1
Emmagatzematge mecànic II: batèries de rotació (KERS)
Positiu: bona eficiència; temps de vida elevat; densitat d’energia alta; impacte ambiental baix;Negatiu: temps d’emmagatzematge curt
Calcula la densitat d’energia d’un sistema KERS de 20 cm de radi suposant que oscil·la a 50000 rpm (revolucions típiques d’un F1).
𝐸
𝑚=1
4𝑟2𝜔2
Per a mantenir l'hidrogen líquid (densitat: 76 Kg/m3) calen temperatures molt baixes. Per tant, un dels principals problemes per dissenyar un cotxe d'hidrogen és el de construir un tanc aïllant pel combustible. i) Quin volum i quina àrea tindria un dipòsit cúbic que contingui l'hidrogen necessari per a
recórrer 500 Km en cotxe? Quina energia cal per a escalfar l'hidrogen del tanc un graucentígrad si el calor específic de l'hidrogen líquid és de l'ordre de 10 KJ/Kg K?
ii) Quin gruix hauria de tenir el tanc (fet d'un material de conductivitat tèrmica 0,01 W/m·K) per a aconseguir que el pas de calor de l'interior (-200ºC) cap a l'exterior (20ºC) sigui prou petit com per a què la temperatura de l'hidrogen només baixi en un graucada hora? Quin volum (i quina massa) de material representa el gruix anterior?
Una opció de futur: l’hidrogen
Densitat d’energia hidrogen: 142.500 J/g
Positiu: bona eficiència; impacte ambiental baix (per hidrogen)
Negatiu: impacte tèrmic; dificultats tecnològiques
Recommended